废水生物处理基本原理省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

1 1废水生物处理基本原理废水生物处理基本原理水处理技术交流讲座二十水处理技术交流讲座二十水处理技术交流讲座二十水处理技术交流讲座二十 第1页2 2一、好氧生物处理基本生物过程 所谓“好氧”：是指这类生物必须在有分子态氧气（O2）存在下，才能进行正常生理生化反应，主要包含大部分微生物、动物以及我们人类；所谓“厌氧”：是能在无分子态氧存在条件下，能进行正常生理生化反应生物，如厌氧细菌、酵母菌等。缺氧反应是兼性菌参加生化反应，兼性菌是能够在好氧也能够在厌氧情况下反应。如反硝化菌、大肠杆菌等。在溶氧量上，通常有这么个说法：厌氧：无分子氧，化合态氧 缺氧：无分子氧，有化合态氧 好氧，都能够有，但最少要有分子氧第一节第一节 废水好氧生物处理原理废水好氧生物处理原理第2页3 3好氧生物处理过程生化反应方程式：分解反应（又称氧化反应、异化代谢、分解代谢）C、H、O、N、S+O2=CO2+H2O+NH3+SO42-+能量 （有机物组成元素）合成反应（也称合成代谢、同化作用）C、H、O、N、S+能量=(C5H7NO2)n （细胞物质）内源呼吸（也称细胞物质本身氧化）C5H7NO2+O2=CO2+H2O+NH3+SO42-+能量在正常情况下，各类微生物细胞物质成份是相对稳定，普通可用以下分子式来表示：细菌：C5H7NO2；真菌：C16H17NO6；藻类：C5H8NO2；原生动物：C7H14NO3第3页4 4分解与合成相互关系：1）二者不可分，而是相互依赖；a、分解过程为合成提供能量和前物，而合成则给分解提供物质基础；b、分解过程是一个产能过程，合成过程则是一个耗能过程。2)对有机物去除，二者都有重要贡献；3）合成量大小，对后续污泥处理有直接影响（污泥处理费用一般可以占整个城市污水处理厂4050%）。不一样形式有机物被生物降解历程也不一样：一方面：结构简单、小分子、可溶性物质，直接进入细胞壁；结构复杂、大分子、胶体状或颗粒状物质，则首先被微生物吸附，随后在胞外酶作用下被水解液化成小分子有机，再进入细胞内。其次：有机物化学结构不一样，其降解过程也会不一样，如：糖类；脂类；蛋白质。第4页5 5二、影响好氧生物处理主要因素 溶解氧（DO）：约12mg/l；水温：是重要因素之一，在一定范围内，随着温度升高，生化反应速率加快，增殖速率也加快；细胞组成物如蛋白质、核酸等对温度很敏感，温度突升或降并超过一定限度时，会有不可逆破坏；最适宜温度 1530C；40C 或 10C 后，会有不利影响。营养物质：细胞组成中，C、H、O、N 约占9097%；其余310%为无机元素，主要是P；生活污水一般不需再投加营养物质；而某些工业废水则需要，一般对于好氧生物处理工艺，应按BOD:N:P=100:5:1 投加N 和P；其它无机营养元素：K、Mg、Ca、S、Na 等；微量元素：Fe、Cu、Mn、Mo、Si、硼等；pH 值：一般好氧微生物最适宜pH 在6.58.5 之间；pH 4.5 时，真菌将占优势，引起污泥膨胀；其次，微生物活动也会影响混合液pH 值。有毒物质（抑制物质）：重金属；氰化物；H2S；卤族元素及其化合物；酚、醇、醛等；有机负荷率：污水中有机物原来是微生物食物，但太多时，也会不利于微生物；氧化还原电位：好氧细菌：+300 400 mV，至少要求大于+100 mV；厌氧细菌：要求小于+100 mV，对于严格厌氧细菌，则-100 mV，甚至-300 mV。第5页6 6 废水厌氧生物处理在早期又被称为厌氧消化、厌氧发酵；是指在厌氧条件下由各种（厌氧或兼性）微生物共同作用下，使有机物分解并产生CH4 和CO2 过程。一、厌氧生物处理中基本生物过程阶段性理论1、两阶段理论：20 世纪3060 年代，被普遍接收是“两阶段理论”。第二节第二节 废水厌氧生物处理原理废水厌氧生物处理原理第6页7 7 第一阶段：发酵阶段，又称产酸阶段或酸性发酵阶段；主要功效是水解和酸化，主要产物是脂肪酸、醇类、CO2 和H2 等；主要参加反应微生物统称为发酵细菌或产酸细菌；这些微生物特点是：1）生长速率快，2）对环境条件适应性（温度、pH 等）强。第二阶段：产甲烷阶段，又称碱性发酵阶段；是指产甲烷菌利用前一阶段产物，并将其转化为CH4 和CO2；主要参加反应微生物被统称为产甲烷菌；产甲烷细菌主要特点是：1）生长速率慢，世代时间长；2）对环境条件（温度、pH、抑制物等）非常敏感，要求苛刻。2、三阶段理论 对厌氧微生物学深入研究后，发觉将厌氧消化过程简单地划分为上述两个过程，不能真实反应厌氧反应过程本质；厌氧微生物学研究表明，产甲烷菌是一类十分尤其古细菌，除了在分类学和其特殊学报结构外，其最主要特点是：产甲烷细菌只能利用一些简单有机物作为基质，其中主要是一些简单一碳物质如甲酸、甲醇、甲基胺类以及2/CO2 等，两碳物质中只有乙酸，而不能利用其它含两碳或以上脂肪酸和甲醇以外醇类；第7页8 8上世纪70 年代，Bryant 发觉原来认为是一个被称为“奥氏产甲烷菌”细菌，实际上是由两种细菌共同组成，一个细菌首先把乙醇氧化为乙酸和H2（一个产氢产乙酸细菌），另一个细菌则利用H2和CO2产生CH4（一个真正意义上产甲烷细菌嗜氢产甲烷细菌）；因而，Bryant 提出了厌氧消化过程“三阶段理论”：第8页9 9 水解、发酵阶段：产氢产乙酸阶段：产氢产乙酸菌，将丙酸、丁酸等脂肪酸和乙醇等转化为乙酸、H2/CO2；产甲烷阶段：产甲烷菌利用乙酸和H2、CO2 产生CH4；普通认为，在厌氧生物处理过程中约有70%CH4 产自乙酸分解，其余则产自H2和CO2。3、四阶段理论（四菌群学说）：几乎与Bryant 提出“三阶段理论”同时，又有些人提出了厌氧消化过程“四菌群学说”：实际上，是在上述三阶段理论基础上，增加了一类细菌同型产乙酸菌，其主要功效是能够将产氢产乙酸细菌产生H2/CO2 合成为乙酸。但研究表明，实际上这一部分由H2/CO2 合成而来乙酸量较少，只占厌氧体系中总乙酸量5%左右。总体来说，“三阶段理论”、“四阶段理论”是当前公认对厌氧生物处理过程较全方面和较准确描述。第9页10104、多阶段理论 不过，当利用厌氧生物处理工艺处理含有复杂有机物时候，在厌氧反应器中发生反应会远比上述“三阶段理论”、“四阶段理论”中所描述反应过程复杂。二、厌氧消化过程中主要微生物 主要介绍其中发酵细菌（产酸细菌）、产氢产乙酸菌、产甲烷菌等。1、发酵细菌（产酸细菌）：发酵产酸细菌主要功效有两种：水解在胞外酶作用下，将不溶性有机物水解成可溶性有机物；酸化将可溶性大分子有机物转化为脂肪酸、醇类等；主要发酵产酸细菌：梭菌属、拟杆菌属、丁酸弧菌属、双岐杆菌属等；水解过程较迟缓，并受各种原因影响（pH、SRT、有机物种类等），有时回成为厌氧反应限速步骤；产酸反应速率较快；大多数是厌氧菌，也有大量是兼性厌氧菌；能够按功效来分：纤维素分解菌、半纤维素分解菌、淀粉分解菌、蛋白质分解菌、脂肪分解菌等。第10页11112、产氢产乙酸菌：产氢产乙酸细菌主要功效是将各种高级脂肪酸和醇类氧化分解为乙酸和H2；为产甲烷细菌提供适当基质，在厌氧系统中经常与产甲烷细菌处于共生互营关系。主要产氢产乙酸反应有：注意：上述反应只有在乙酸浓度很低、系统中氢分压也很低时才能顺利进行，所以产氢产乙酸反应顺利进行，经常需要后续产甲烷反应能及时将其主要两种产物乙酸和H2消耗掉。主要产氢产乙酸细菌多为：互营单胞菌属、互营杆菌属、梭菌属、暗杆菌属等；多数是严格厌氧菌或兼性厌氧菌。第11页12123、产甲烷菌 20 世纪60 年代Hungate 开创了严格厌氧微生物培养技术之后，对产甲烷细菌研究才得以广泛进行；产甲烷细菌主要功效是将产氢产乙酸菌产物乙酸和H2/CO2转化为CH4和CO2，使厌氧消化过程得以顺利进行；主要可分为两大类：乙酸营养型和H2 营养型产甲烷菌，或称为嗜乙酸产甲烷细菌和嗜氢产甲烷细菌；普通来说，在自然界中乙酸营养型产甲烷菌种类较少，只有Methanosarcina（产甲烷八叠球菌）和Methanothrix（产甲烷丝状菌），但这两种产甲烷细菌在厌氧反应器中居多，尤其是后者，因为在厌氧反应器中乙酸是主要产甲烷基质，普通来说有70%左右甲烷是来自乙酸氧化分解；经典产甲烷反应：第12页1313第13页1414 产甲烷菌有各种不一样形态，常见有：产甲烷杆菌；产甲烷球菌；产甲烷八叠球菌；产甲烷丝菌；等等。在生物分类学上，产甲烷菌属于古细菌大小、外观上与普通细菌相同，但实际上，其细胞成份特殊，尤其是细胞壁结构较特殊；在自然界分布，普通能够认为是栖息于一些极端环境中（如地热泉水、深海火山口、沉积物等），但实际上其分布极为广泛，如污泥、瘤胃、昆虫肠道、湿树木、厌氧反应器等；产甲烷菌都是严格厌氧细菌，要求氧化还原电位在-150-400mv，氧和氧化剂对其有很强毒害作用；产甲烷菌增殖速率很慢，繁殖世代时间长，可达46 天，所以，普通情况下产甲烷反应是厌氧消化限速步骤。三、厌氧生物处理影响原因 产甲烷反应是厌氧消化过程控制阶段，所以，普通来说，在讨论厌氧生物处理影响原因时主要讨论影响产甲烷菌各项原因；主要影响原因有：温度、pH 值、氧化还原电位、营养物质、F/M 比、有毒物质等。第14页15151、温度：温度对厌氧微生物影响尤为显著；厌氧细菌可分为嗜热菌（或高温菌）、嗜温菌（中温菌）；对应地，厌氧消化分为：高温消化（55C 左右）和中温消化（35C 左右）；高温消化反应速率约为中温消化1.51.9 倍，产气率也较高，但气体中甲烷含量较低；当处理含有病原菌和寄生虫卵废水或污泥时，高温消化可取得很好卫生效果，消化后污泥脱水性能也很好；伴随新型厌氧反应器开发研究和应用，温度对厌氧消化影响不再非常主要（新型反应器内生物量很大），所以能够在常温条件下（2025C）进行，以节约能量和运行费用。2、pH 值和碱度：pH 值是厌氧消化过程中最主要影响原因；主要原因：产甲烷菌对pH 值改变非常敏感，普通认为，其最适pH 值范围为6.87.2，在8.2 时，产甲烷菌会受到严重抑制，而深入造成整个厌氧消化过程恶化；厌氧体系中pH 值受各种原因影响：进水pH 值、进水水质（有机物浓度、有机物种类等）、生化反应、酸碱平衡、气固液相间溶解平衡等；厌氧体系是一个pH 值缓冲体系，主要由碳酸盐体系所控制；普通来说：系统中脂肪酸含量增加（累积），将消耗HCO 3，使pH 下降；但产甲烷菌作用不但能够消耗脂肪酸，而且还会产生HCO，使系统pH 值回升。碱度曾一度在厌氧消化中被认为是一个至关主要影响原因，但实际上其作用主要是确保厌氧体系含有一定缓冲能力，维持适当pH 值；厌氧体系一旦发生酸化，则需要很长时间才能恢复。第15页16163、氧化还原电位：严格厌氧环境是产甲烷菌进行正常生理活动基本条件；非产甲烷菌能够在氧化还原电位为+100-100mv 环境正常生长和活动；产甲烷菌最适氧化还原电位为-150-400mv，在培养产甲烷菌早期，氧化还原电位不能高于-330mv；4、营养要求：厌氧微生物对N、P 等营养物质要求略低于好氧微生物，其要求COD：N：P=200：5：1；多数厌氧菌不含有合成一些必要维生素或氨基酸功效，所以有时需要投加：K、Na、Ca 等金属盐类；微量元素Ni、Co、Mo、Fe 等；有机微量物质：酵母浸出膏、生物素、维生素等。5、F/M 比（在生物学上简称为“食微比”，F指是有机物，M指是微生物。）：厌氧生物处理有机物负荷很好氧生物处理高。容积负荷普通可达510kgCOD/m3.d，甚至可达5080 kgCOD/m3.d；无传氧限制；能够积聚更高生物量。产酸阶段反应速率远高于产甲烷阶段，所以必须十分慎重地选择有机负荷；高有机容积负荷前提是高生物量，而对应较低污泥负荷；高有机容积负荷能够缩短HRT，降低反应器容积。第16页17176、有毒物质：常见抑制性物质有：硫化物、氨氮、重金属、氰化物及一些有机物；硫化物和硫酸盐：硫酸盐和其它硫氧化物很轻易在厌氧消化过程中被还原成硫化物；可溶硫化物到达一定浓度时，会对厌氧消化过程主要是产甲烷过程产生抑制作用；投加一些金属如Fe 能够去除S2-，或从系统中吹脱H2S 能够减轻硫化物抑制作用。氨氮：氨氮是厌氧消化缓冲剂；但浓度过高，则会对厌氧消化过程产生毒害作用；抑制浓度为50200mg/l，但驯化后，适应能力会得到加强。重金属：使厌氧细菌酶系统受到破坏。氰化物。有毒有机物。第17页1818四、厌氧生物处理主要特征1、厌氧生物处理过程主要优点：能耗大大降低，而且还能够回收生物能（沼气）；污泥产量很低；厌氧微生物增殖速率比好氧微生物低得多，产酸菌产率Y 为0.150.34kgVSS/kgCOD，产甲烷菌产率Y 为0.03kgVSS/kgCOD 左右，而好氧微生物产率约为0.250.6kgVSS/kgCOD。厌氧微生物有可能对好氧微生物不能降解一些有机物进行降解或部分降解；反应过程较为复杂厌氧消化是由各种不一样性质、不一样功效微生物协同工作一个连续微生物过程；2、厌氧生物处理过程主要缺点：对温度、pH 等环境原因较敏感；处理出水水质较差，需深入利用好氧法进行处理；气味较大；对氨氮去除效果不好；等等更多生物课件 http:/第18页